三峡库区支流花溪河浮游植物种间关联及影响因子分析

施军琼，何书晗,欧阳添，赵璐，纪璐璐，吴忠兴

(西南大学 生命科学学院，重庆 400715)

三峡大坝自建立后，其经济和社会效益显著，但也因库区“冬蓄夏排”的水体调度模式，使库区水体理化因子发生较大改变，影响了浮游植物群落结构，易引起浮游植物种间关联发生变化[1-3].目前，对三峡库区水体浮游植物的研究主要集中在物种组成与环境因子的研究，水生态系统的关联性分析研究较少.花溪河作为三峡库区的重要支流之一，其群落结构和水文情况受到不同程度的影响.本研究以三峡库区一级支流花溪河作为研究区域，通过χ2检验、种间联结系数(association coefficient,CA)和逐步回归等方法分析花溪河浮游植物种间关联情况及其与环境因子的关系，旨在探究三峡库区水位调度对浮游植物种间关系的影响，为三峡库区浮游植物研究及水生态管理提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

花溪河源于重庆市巴南区石岗乡碑垭岩口，属于三峡库区一级支流.本研究从2017年11月16日至2018年10月18日从花溪河源头到入江口共设置11个采样点，依次为S0(碑垭村),S1(贺家湾),S2(南彭水库),S3(柏树湾),S4(蒲芦塘),S5(吉庆村),S6(虎啸村),S7(南泉镇),S8(堤坎),S9(建新村)和S10(入江口)(图1)，每月对11个采样点分别进行调查.

1.2 水体理化指标的测定

1.3 浮游植物及多样性指数

定性样品采集和分析：通过孔径为20 μm的浮游生物网采集，加入Lugol溶液进行固定，然后使用Nikon E-Ci显微镜进行物种鉴定，参考文献[5-8].定量样品采集和分析：用1 L广口瓶取样，滴加Lugol溶液固定，避光处静置96 h，浓缩至30 mL.浮游植物定量采用面积为20 mm×20 mm，容量为0.1 mL的浮游植物计数框进行计数.通过Shannon 多样性指数(H)，物种丰富度(S)和均匀度(J)计算物种的多样性情况.

1.4 种间关联分析

因每个季节物种数量和优势种所占比例不同，本研究春季选频率大于60%的24个物种，夏季选频率大于40%的20个物种，秋季选频率大于40%的19个物种，冬季选频率大于40%的22个物种进行种对联结性分析.通过基于2×2列联表的χ2值、种间联结系数(CA)以及成对物种的Pearson相关分析来衡量物种间的种间关联情况.通过Yates的连续性公式计算χ2值[9]，其中χ2<3.814 为不显著种间联结，3.814≤χ2<6.635 为显著种间联结,χ2≥6.635为极显著种间联结.

种间联结系数CA的计算公式：

(1)

(2)

(3)

其中a是成对物种都出现的样方数，d是成对物种都不出现的样方数，b是仅有物种B出现的样方数，c是仅有物种A出现的样方数.

CA的取值范围在[-1,1]之间，CA越靠近1，正联结性越强，CA越靠近-1，负联结性越强，CA等于0，物种对之间完全独立.CA≥0.67(正联结程度高)、0.67>CA>0(正联结程度弱)，CA=0(无联结)，-0.67

1.5 数据处理与分析

用Excel对数据进行整理统计；用Origin 2019进行作图；RStudio 的spaa包计算种间CA分析群落种间关联情况以及绘制CA值半矩阵图；SPSS 22.0 软件分析种间关联与环境因子间的相关性.

2 结果与分析

2.1 水体理化特征

2.2 群落结构

花溪河全年检测出蓝藻、绿藻、硅藻、裸藻、甲藻、隐藻、金藻和黄藻共8门藻类(附图Ⅰ)，主要以硅藻和绿藻为主，均占总物种数的32.6%；裸藻和蓝藻物种数量占比分别为16.6%和9.2%.春夏季节物种数相对高于秋冬季节，5月份达到最大值197种，2月份最低为140种.对不同月份藻密度分析发现2月份、5至9月份藻密度相对较高，在7月份达到最高密度.S1和S2样点在一年中藻密度明显高于其他样点，5月至10月份藻密度较高，在7月份S2样点藻密度最高达2.85×108L-1.

2.3 种间关联性

Pearson相关性分析中，春季物种对不显著相关(P>0.05)占比高达85.6%，夏季、秋季和冬季的种间关联不显著相关(P>0.05)比例分别为80.1%，80%和80.1%，均大于显著相关的物种对数(附表Ⅰ).4个季节大多数物种对的种间关联未达到显著相关水平，物种对间的联结性总体呈松散状况.此外，花溪河物种种间关联情况以χ2检验为基础，结合CA来定量分析.其中，春季不显著联结性种对有452对，占78.4%，只有11.7%表现为极显著性联结.夏季不显著联结物种对有336对，占83.9%，只有10.2%表现为极显著性联结.同样，秋季和冬季种对间不显著联结比例分别为83%和74% (附表Ⅰ) .Pearson相关性检验和χ2检验均表明物种对间联结性不显著.

花溪河浮游植物4个季节主要物种间的种间联结系数CA半矩阵图(图3)可以看出，春季联结程度弱和无联结藻类物种对数有占87.7%，物种对之间联结程度弱，种间联结系数CA≥0.67的种对数有31对，占全部对数10.3%( 图3(a)).其中尖针杆藻(Synedraacusvar)与颗粒直链藻(Melosiragranulata),菱形藻(Nitzschiasp.),四尾栅藻(Scenedesmusquadricauda)以及假鱼腥藻(Pseudoanabaenasp.)等大多说藻类的正联结程度高(CA≥0.67).CA≤-0.67 的藻类物种只有6对.这6对之间表现为极强的负联结性，占比为2%，比如，尖针杆藻(S.acusvar)与舟形藻(Naviculasp.). 夏季种间联结系数CA≥0.67的物种对数有9对，占全部对数4.3%，其中双对栅藻(Scenedesmusbijuba)与双棘栅藻(Scenedesmusspinosus)、四尾栅藻(S.quadricauda)、梅尼小环藻(Cyclotellameneghiniana)之间的正联结程度高.水华束丝藻(Aphanizomenonflos-aquae)与四尾栅藻(S.quadricauda)、尖针杆藻(S.acus)物种对负联结程度高， ( 图3(b)).

秋季菱形藻(N.sp.)与尖针杆藻(S.acusvar)，二形栅藻(Scenedesmusdimorphus)与小环藻(Cyclotellasp.)、尖针杆藻(S.acusvar)等物种之间的正联结程度高(CA≥0.67).尖针杆藻(S.acusvar)与四足十字藻(Crucigeniatetrapedia)负联结程度高(CA≤-0.67)( 图3(c)).冬季浮游藻类尖针杆藻(S.acusvar)与其他物种间正联结程度和春季情况类似，即与大部分藻种之间的正联结程度都很高，总的CA≥0.67共有28对，占11.1%.水华束丝藻(A.flos-aquae)与四足十字藻(C.tetrapedia)物种对负联结程度高(CA≤-0.67) ( 图3(d)).

2.4 种间关联影响因子

为探究影响不同程度种间关联的环境因子，将环境因子变化量与种间关联变化量进行逐步线性回归分析，探究出引起浮游植物种间关联变化的主要环境因子.种间关联与环境因子之间的逐步回归关系(附表Ⅱ).CA≥0.67，0.67>CA>0和CA=0这三种情况与环境因子之间的逐步回归系数依次为0.786，0.738和0.615，P值均小于 0. 05.其中，物种均匀度的变化是CA≥0.67和0.67>CA>0两种情况主要影响因子.叶绿素a的变化是影响物种间无联结(CA=0)主要生物因子，两者的线性回归关系为：Y=-0.01+0.003CA(Y:Chl.a,P=0.033).负联结(0>CA>-0.67和CA≤-0.67)情况未筛选出主要的影响因子.

在逐步线性回归定量分析种间关联与环境因子关系的基础上，通过主成分分析，剔除对总体种间关联影响较小的环境因子后，蒙特卡罗置换检验结果显示，花溪河物种均匀度变化对种间关联的贡献值为56.7%，高锰酸盐指数变化对种间关联的贡献值为11.7%，而总氮、电导率、叶绿素a、硝态氮和透明度等变化对种间关联的贡献值分别为9.9%，5.1%，3.9%，3.4%和2.8%，这7种环境因子对种间关联的贡献值高达93.5%，是影响种间关联的主要因子.种间关联与环境因子进行 PCA二维排序分析中(图4)，CA≥0.67(正联结程度高)与透明度、高锰酸盐指数、电导率、总磷、电导率和物种均匀度具有较强相关.0.67>CA>0(正联结程度弱)与硝态氮、总氮、氧化还原电位和物种均匀度有较强相关.CA=0(正联结)与叶绿素a具有较强的相关，这与逐步线性回归结果一致.

3 讨 论

3.1 浮游植物种间关联分析

种对联结主要是反应物种在空间分布上的关联性[9]，物种关系外在的表现可以通过种间关系描述，体现群落的现状或群落内物种种间竞争的结果[10].花溪河浮游植物四个季节的种对联结性检验(Pearson相关性和χ2检验)结果中，种对不显著联结所占的比例远大于显著性联结所占比例，种对间不显著联结物种对比例由高到低为：夏季(83.9%)，秋季(83.0%)，春季(78.4%)，冬季(74.0%).夏季的不显著联结物种对最多.这可能与夏季藻类水华暴发相关，其主要因由是藻类现存量较高，物种多样性较单一引起.已有研究发现物种种间竞争加强，种群结构容易发生变化；冬季种间不显著联结最小，可能与冬季水温过低和营养盐含量少限制了藻类生长，物种组成少，藻密度低群落相对稳定有关[11].

种间联结可反映出群落结构和数量特点，与群落的演化形成紧密相关，是种间相互关系的表现形式[12].种间CA值半矩阵图中，四个季节的弱联结性显著大于其他联结程度，物种间多为相互独立，群落结构松散联结不紧密.对比南海湖浮游植物种间联结性多为弱联结或无联结，可能是在空间分布上的独立性造成的[13].花溪河浮游植物种间多为弱联结的主要原因可能是优势种间生态位重叠少，物种间独立程度高.物种对环境要求的趋同性、趋异性和物种在生活型、生态型上的差异是影响种间关联的重要因素[14].其中，正联结物种对生境要求相似，物种间因生物或非生物因子限制互相依存生长在一起，生态位重叠程度高.负联结物种对由于对生境要求差异较大，或因为种间竞争相互排斥，导致物种间倾向于分离状态，生态位重叠少，最终表现为负联结(CA<0).负联结程度越高，因种间竞争导致物种消失的概率越大.在春季和冬季，尖针杆藻(S.acusvar)与菱形藻(N.sp.)和梅尼小环藻(C.meneghiniana)等种间正联结性程度高，这与它们对生活环境要求、生态策略和生态功能相似有关.在广泛使用的FG(Functional Groups)法中，针杆藻(Synedrasp.)、菱形藻(Nitzschiasp.)、小环藻(Cyclotellasp.)等都属于功能群D，生境为穷营养，耐冲刷，较浑浊的浅水水体[15]. 舟形藻(Naviculasp.)属于功能群MP，生境为浅水湖泊，频繁干扰的浑浊型水体.不同功能群物种间正联结程度弱，倾向于负联结.这也是尖针杆藻(S.acusvar)与舟形藻(Naviculasp.)负联结程度高的重要原因.

种间联结程度对研究群落的动态演替具有重要意义，不仅能体现目前群落结构，还可以反映群落未来的演替方向和趋势.一般正向演替中，演替初期，群落种间联结多为负联结，随着向顶级演替发展，群落稳定性增加，种对正联结比例增加，在一定时间内形成稳定状况.花溪河浮游植物四个季节种间弱联结占比大，物种间独立性较强，生境要求有差异，生态位重叠小.因此花溪河浮游植物群落结构不稳定，还需要较长时间的演替才能达到多物种共存的稳定状况.这与南四湖浮游植植物种间负联结最大，群落结构稳定性差的研究结果一致[16].

3.2 种间关联与环境因子

种间竞争作用会促进物种均匀度的变化[17].花溪河浮游植物总体种间关联与环境因子的PCA排序结果中物种均匀度对种间关联贡献值高达74.1%，不同的种间关联程度与环境因子关系的逐步线性回归分析中发现，物种均匀度与CA≥0.67和0.67>CA>0均具有较强的正相关(附表Ⅱ).表明了物种均匀度是维持花溪河浮游植物种间关系极其重要的因素.高锰酸盐指数反映水体被还原性物质污染的程度，能体现水中所含有机物的多少，对浮游植物群落结构组成具有较大影响[18].本研究中高锰酸盐指数对种间关联的贡献值为11.7%,仅次于物种均匀度，主要与CA≥0.67的关联性最强(图4)，高锰酸盐指数也是影响浮游植物种间关系不可忽视的因子.

叶绿素a含量和不同门类浮游植物密切相关，浮游植物优势种的变更会引起叶绿素a浓度也发生变化.花溪河浮游植物不同季节各优势种之间独立性较强，有着自己的生态位，种间多为无联结，而叶绿素a含量随优势种的变化而变化，所以呈现出叶绿素a与种间无联结(CA=0)呈Y=-0.01+0.003χ(P=0.033)的线性回归关系.整体而言，三峡库区浮游植物种间关联并非某一种因子作用的结果，而是受生物因子和非生物因子的综合影响.

附 录

附图、附表见电子版(DOI:10.16366/j.cnki.1000-2367.2022.05.015).